S890 大直徑厚壁高強(qiáng)韌性液壓油缸用無縫鋼管的開發(fā)

王世明，周 勇，黃佑啟

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

近年來隨著我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)度機(jī)械用鋼的需求量快速增長(zhǎng)，要求也越來越高，主要體現(xiàn)在高強(qiáng)度、優(yōu)異的低溫沖擊韌性和良好的焊接性能等方面［1-2］。普通的27SiMn 和20MnTi熱處理后的力學(xué)性能已不能滿足大直徑厚壁管對(duì)高強(qiáng)度、高韌性的要求；而S890 高強(qiáng)度鋼調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)度可達(dá)890 MPa，同時(shí)具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性，表現(xiàn)出高的可靠性和發(fā)展?jié)摿?，因此逐漸引起國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)用鋼領(lǐng)域的關(guān)注［3-8］。但大直徑厚壁S890 高強(qiáng)度油缸管在國(guó)內(nèi)少有廠家能夠生產(chǎn)，主要原因是大直徑厚壁管高強(qiáng)度與高韌性的匹配及鋼管全壁厚性能的均勻性難以控制。為滿足采煤機(jī)械和煤炭工業(yè)對(duì)液壓支架油缸用無縫鋼管更高的使用要求，衡陽華菱鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱華菱衡鋼）和國(guó)內(nèi)某機(jī)械集團(tuán)有限公司聯(lián)合開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型大直徑厚壁高強(qiáng)韌性S890 液壓支架油缸用無縫鋼管。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

大直徑厚壁高強(qiáng)韌性液壓支架油缸用無縫鋼管對(duì)材料強(qiáng)度、韌性和焊接性等方面要求較高。為改善材料的焊接性能，提高沖擊韌性，在傳統(tǒng)中碳Cr-Mo 調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上，化學(xué)成分采用適當(dāng)降C 和Si、增Cr 和Ni 的鋼種。

設(shè)計(jì)該種無縫鋼管化學(xué)成分的目的，一是在確保鋼的淬透性的前提下，盡量減少碳含量，以避免損害鋼的塑性和韌性；二是降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高鋼的塑性和韌性；三是有利于通過最終的調(diào)質(zhì)熱處理，形成超細(xì)化回火馬氏體基體上分布一定數(shù)量納米級(jí)尺度沉淀粒子這一強(qiáng)度和韌性兼?zhèn)涞奈⒂^組織。

C 是鋼中的基本元素，它擴(kuò)大Fe 的γ 相區(qū)而縮小Fe 的α 相區(qū)，鋼中碳含量增加，鋼的室溫、高溫強(qiáng)度提高，但碳含量偏高會(huì)增加組織變化對(duì)鋼性能的影響，同時(shí)鋼的韌性和焊接性能變差。為了改善鋼的焊接性能，提高沖擊韌性，尤其是低溫沖擊性能，一般要求鋼中的碳含量在0.2%以下甚至更低。為了彌補(bǔ)碳含量降低對(duì)鋼強(qiáng)度的影響，加入一定數(shù)量的合金元素，如Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、V、Ti 等，利用其固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等機(jī)理，從而獲得高強(qiáng)度。

Cr 和Mo 都是碳化物形成元素，可有效地提高鋼的回火抗力，使鋼的強(qiáng)度更多地來源于Cr-Mo 碳化物的析出強(qiáng)化而不是回火馬氏體的晶格畸變，這對(duì)材料的抗硫化氫性能非常有利；Ni 降低奧氏體化轉(zhuǎn)變開始溫度Acl，是形成奧氏體和穩(wěn)定奧氏體區(qū)的主要元素，為低溫鋼的主要合金元素之一。它在鋼進(jìn)行奧氏體加熱時(shí)可阻止高溫時(shí)晶粒的長(zhǎng)大，保持細(xì)小狀態(tài)，同時(shí)Ni 在鋼中還可延緩并抑制δ 鐵素體的形成進(jìn)而改善沖擊韌性；Ni 的層錯(cuò)能很高，固溶于鐵素體中能進(jìn)一步提高固溶體的層錯(cuò)能，有可能抑制螺型位錯(cuò)的分解，即使在低溫下也易于發(fā)生交滑移，Ni 能顯著提高鋼的低溫韌性。

大量研究結(jié)果表明：Nb、V 和Ti 在鋼中是通過晶粒細(xì)化影響其強(qiáng)度和韌性。Nb、V、Ti 雖然在鋼中所占量甚微，但對(duì)鋼的力學(xué)性能大有裨益。在熱軋條件下，微量的Nb、V、Ti 對(duì)鐵素體起到沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用。S890 無縫鋼管化學(xué)成分設(shè)計(jì)要求及實(shí)際成分見表1。

表1 S890 無縫鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 設(shè)計(jì)規(guī)格、交貨狀態(tài)及性能要求

S890 大直徑厚壁高強(qiáng)韌性無縫鋼管的設(shè)計(jì)規(guī)格為Φ710 mm×63 mm，交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，強(qiáng)度按照壁厚遞減，S890 大直徑厚壁高強(qiáng)韌性無縫鋼管在交貨狀態(tài)下的力學(xué)性能指標(biāo)和沖擊功要求見表2。

表2 S890 無縫鋼管力學(xué)性能和沖擊功要求

2 S890 高強(qiáng)韌性無縫鋼管的開發(fā)工藝方案

2.1 S890 無縫鋼管的開發(fā)工藝路線

S890 無縫鋼管的開發(fā)工藝路線為：配料→電爐冶煉→LF 爐外精煉→VD 真空脫氣→弧形連鑄→坯料檢驗(yàn)入庫(kù)→熱軋→熱處理→探傷→包裝入庫(kù)。

2.2 煉鋼工藝

采用電爐冶煉+LF+VD 的冶煉工藝降低了鋼液中雜質(zhì)元素的含量及夾雜物的形態(tài)、大小和數(shù)量。原料采用50%鐵水+50%優(yōu)質(zhì)廢鋼配比，嚴(yán)格控制S、P 及其他有害元素的含量，保證鋼水的純凈度；采用保護(hù)澆注的方法減少鋼液吸氣和二次氧化，并純凈中間包鋼液；采用結(jié)晶器電磁攪拌，起到提高鑄坯等軸晶率，促使鋼液中夾雜物上浮及改善鋼成分偏析的作用［9］。

2.3 軋管工藝

采用Φ720 mm 周期軋管機(jī)組軋管，軋管工藝路徑：坯料檢驗(yàn)→管坯鉆孔→環(huán)形爐加熱→曼式穿孔機(jī)穿孔→芯棒預(yù)穿→周期軋管機(jī)軋制→熱鋸切皮爾格頭→步進(jìn)式加熱爐再加熱→高壓水除鱗→定徑機(jī)定徑。

周期軋管機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：①鍛軋結(jié)合，變形量大，可用鋼錠直接軋成無縫鋼管；②設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，成本較低；③延伸系數(shù)大，可達(dá)10～20；④軋制鋼種范圍廣，可生產(chǎn)高合金鋼等難軋鋼種；⑤壁厚變化范圍大，最大可達(dá)100 mm 以上；⑥可以生產(chǎn)大中直徑鋼管［10-11］。

Φ720 mm 周期軋管機(jī)組正好可以解決高合金高強(qiáng)度大規(guī)格鋼管軋制變形大、變形抗力大、易產(chǎn)生軋制裂紋的難點(diǎn)。管坯出爐溫度按1 260～1 280℃控制，加熱時(shí)間大于15 h，此時(shí)該鋼種具有最佳的塑性。周軋時(shí)合理地設(shè)置喂入角、輾軋角及軋制轉(zhuǎn)速等軋制工藝參數(shù)，保證該鋼種的順利軋制。步進(jìn)式加熱爐再加熱按出爐溫度950～960 ℃控制，加熱時(shí)間45 min。定徑前高壓水除鱗壓力18～20 MPa；軋輥冷卻水壓力0.3～0.4 MPa，保證鋼管表面無氧化鐵皮。

2.4 熱處理工藝

為了確定鋼管的熱處理工藝，對(duì)S890 大直徑厚壁高強(qiáng)韌性液壓油缸用無縫鋼管進(jìn)行了熱處理工藝試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定了如下調(diào)質(zhì)工藝：采用在線淬火+回火的熱處理方式，淬火溫度（950±10）℃，在爐時(shí)間3 h 以上；升溫90 min 后，溫度達(dá)（665±5）℃時(shí)回火，保溫420 min。淬火爐達(dá)到設(shè)定溫度，保證鋼管充分奧氏體化，水淬時(shí)保證鋼管旋轉(zhuǎn)中心線水平。

表3 S890 無縫鋼管取樣性能數(shù)據(jù)

3 成品管的組織及性能檢測(cè)結(jié)果

對(duì)按上述熱處理工藝調(diào)質(zhì)后的S890 大直徑厚壁高強(qiáng)韌性液壓油缸用無縫鋼管按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，按GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定辦法》進(jìn)行金相組織檢測(cè)，按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)［12］。

3.1 常溫力學(xué)性能

從熱處理后的S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管中抽取6 支進(jìn)行性能檢測(cè)，所測(cè)鋼管的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、低溫沖擊功及表面硬度值見表3。

通過表3 的數(shù)據(jù)分析得出，屈服強(qiáng)度最低805 MPa，抗拉強(qiáng)度最低875 MPa，伸長(zhǎng)率最小值17.5%，沖擊功平均值最小152 J，硬度值262～273 HB，心部硬度262～272 HB，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求，證明采用淬火溫度（950±10）℃、在爐時(shí)間3 h 以上，升溫90 min、回火溫度（665±5）℃、保溫420 min的調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)的S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管，符合設(shè)計(jì)要求。

表4 S890 無縫鋼管的非金屬夾雜物 級(jí)

圖1 S890 無縫鋼管非金屬夾雜物

3.2 非金屬夾雜物及金相組織

非金屬夾雜物獨(dú)立存于鋼中，破壞了鋼基體的連續(xù)性，使鋼的組織不均勻性增大，對(duì)鋼的性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，因此非金屬夾雜物的級(jí)別和形態(tài)控制對(duì)鋼質(zhì)量有致命的影響。

用金相顯微法按GB/T 13320—2007 標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管非金屬夾雜物結(jié)果見表4 和如圖1 所示。

通過上述取樣分析，S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管非金屬夾雜物A 類粗系、B 類粗系和D 類粗系均為0.5 級(jí)，而且在觀察的范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)其他夾雜物。而這一超低級(jí)別的夾雜物控制則保證了S890 無縫鋼管具有一個(gè)高的強(qiáng)度、良好的塑性和斷裂韌性。對(duì)成品樣管進(jìn)行內(nèi)表面、壁厚中間、外表面金相組織觀察，鋼管組織為回火索氏體+少量貝氏體，外表面的晶粒度略微粗大，主要是鋼管淬火時(shí)步進(jìn)式加熱爐加熱能力不夠，導(dǎo)致鋼管在爐時(shí)間延長(zhǎng)，外表面局部溫度偏高造成的，晶粒度為7～9 級(jí)，S890 無縫鋼管調(diào)質(zhì)后的金相組織如圖2 所示。

圖2 S890 無縫鋼管調(diào)質(zhì)后金相組織

3.3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

韌脆轉(zhuǎn)變溫度是評(píng)價(jià)鋼種性能的重要指標(biāo)之一，直接影響著產(chǎn)品的有效使用溫度和使用用途，韌脆轉(zhuǎn)變溫度過高，則有可能在應(yīng)用甚至加工過程中發(fā)生脆性斷裂，造成事故。因此，準(zhǔn)確地判定產(chǎn)品韌脆轉(zhuǎn)變溫度非常必要［13-15］。本文采用韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50，通過一系列溫度的夏比V 型缺口沖擊試驗(yàn)，測(cè)量不同溫度下沖擊斷口的剪切面積百分比，并以沖擊試樣的剪切面積百分比50%所對(duì)應(yīng)的溫度作為材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。為獲得評(píng)定鋼材冷脆性的沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度，依據(jù)GB/T 229—2007 在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn)，試樣為10 mm×10 mm×55 mm 的V 形缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣。試驗(yàn)選取了20，0，－20，－40，－60，－80，－90 ℃共7 個(gè)溫度，每一溫度測(cè)試3 個(gè)試樣分析各沖擊試樣剪切面積百分比，不同試驗(yàn)溫度下試樣的沖擊值和剪切面積百分比曲線如圖3 所示。

從圖3 可以得出，S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-72 ℃，韌脆轉(zhuǎn)變溫度極低，證明了S890 無縫鋼管具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

3.4 焊接性能

委托相關(guān)權(quán)威測(cè)試中心對(duì)華菱衡鋼生產(chǎn)S890無縫鋼管進(jìn)行焊接性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見表5～7。結(jié)果表明，該鋼管經(jīng)焊接后，其室溫拉伸試驗(yàn)合格，-20 ℃低溫沖擊試驗(yàn)合格，焊后硬度合格。

4 結(jié) 論

（1） 采用“電爐冶煉+LF 鋼包精煉+VD 真空精煉+Φ720 mm 周期軋管機(jī)組軋制+調(diào)質(zhì)熱處理”工藝生產(chǎn)的S890 大直徑厚壁液壓油缸用無縫鋼管，其鋼質(zhì)純凈、鋼管組織和綜合性能良好，完全能夠滿足用戶的設(shè)計(jì)和使用要求；

（2） 采用剪切面積百分比達(dá)到50%這一評(píng)定方法，測(cè)定了S890 無縫鋼管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-72℃，證明其低溫沖擊韌性好，能適用于各種惡劣的環(huán)境；

（3） 生產(chǎn)的S890 大直徑厚壁高強(qiáng)韌性液壓油缸用無縫鋼管，焊后各種性能優(yōu)良，焊接性能良好；

圖3 S890 無縫鋼管的剪切面積百分比和沖擊功曲線

表5 S890 無縫鋼管焊后試樣室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 S890 無縫鋼管焊后試樣-20 ℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表7 S890 無縫鋼管焊后試樣表面硬度試驗(yàn)結(jié)果HB

（4） S890 高強(qiáng)韌性液壓油缸管的各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求，可以批量生產(chǎn)。